OR 59/2010
Spredningsberegninger for utslipp til luft fra Unger Fabrikker AS i Fredrikstad
Ivar Haugsbakk
OR 59/2010
Spredningsberegninger for utslipp til luft fra Unger Fabrikker AS i Fredrikstad
Ivar Haugsbakk
Spredningsberegninger for utslipp til luft fra
Unger Fabrikker AS i Fredrikstad
Ivar Haugsbakk
Innhold
Side
Sammendrag og konklusjon ... 2
1 Innledning ... 3
2 Utslippsdata ... 3
3 Meteorologi ... 4
4 Spredningsberegninger ... 5
4.1 Kaldstart – 1 gang årlig ... 5
4.2 Varmstart – 10 ganger årlig ... 5
4.3 Anbefalte utslippsforhold ... 5
5 Konklusjon ... 8
6 Referanser ... 9
Vedlegg A Utslipp av SO2/SO3 fra S-anlegg ... 10
Sammendrag og konklusjon
Norsk institutt for luftforskning (NILU) har på oppdrag fra Unger Fabrikker AS i Fredrikstad utført spredningsberegninger for utslipp til luft fra sulfoneringsanlegget for å vurdere om bedriften forårsaker uakseptable nivåer av SO2 i bakkenivå i omgivelsene.
Det er utført beregninger av maksimale timemiddelkonsentrasjoner av SO2 ved hjelp av NILUs gaussiske spredningsmodell CONCX. Beregning er utført for hhv kald- og varmstart av anlegget.
Konklusjon
Beregningene viser overskridelser av retningslinjer for SO2, både for virkning på helse (400 µg SO2/m3) og vegetasjon (150 µgSO2/m3) ved kaldstart (1 gang årlig).
For varmstart (10 ganger årlig) viser beregningene overskridelser av anbefalt luftkvalitetskriterium for vegetasjon.
Ved å forlenge pipa med 5 m og redusere indre pipediameter i utløpet til 0,25 m, vil spredningsforholdene bedres og bidraget til bakkekonsentrasjoner bli halvert. Det vil da maksimalt forekomme kun en overskridelse av luftkvalitetskriteriet for virkning på helse i året med varighet en time.
Spredningsberegninger for utslipp til luft fra Unger Fabrikker AS i Fredrikstad
1 Innledning
Norsk institutt for luftforskning (NILU) har på oppdrag fra Unger Fabrikker AS i Fredrikstad utført sprednings- og skorsteinshøydeberegninger for utslipp til luft fra sulfoneringsanlegget i Fredrikstad.
Det er utført beregninger av maksimale timemiddelkonsentrasjoner i nærområdet ved hjelp av NILUs gaussiske spredningsmodell CONCX for å vurdere om bedriften forårsaker uakseptable nivåer av SO2 i bakkenivå i omgivelsene (Bøhler, 1987).
Beregningsresultatene er sammenholdt med anbefalte luftkvalitetskriterier for SO2 fra Klima- og forurensningsdirektoratet. Luftkvalitetskriteriene for relevant komponent er vist nedenfor i Tabell 1.
Tabell 1: Anbefalte luftkvalitetskriterium fra Klif.
Konsentrasjon Midlingstid Virkningsmåte
SO2 400 µg/m3 15 min Helse
SO2 150 µg/m3 1 time Vegetasjon
2 Utslippsdata
Det er utført spredningsberegninger av utslipp fra et sulfoneringsanlegg. Ifølge oppdragsgiver er det lave utslipp ved vanlig drift. Det er kun i oppstartfasen at det blir sluppet ut en del SOx (SO2 og SO3). Tabell 2 viser utslippsdata, og Figur 1 viser anleggets plassering.
A) En gang årlig: Kaldstart, regnet som SO2: 5 kg/time (1,38 g/s). Dette er basert på en teoretisk virkningsgrad på 90 % av svovelsyretårn (som tar mesteparten av gassen ved oppstart) og som tilsvarer 50 kg SO2 pr. time.
Rest SO2 ut av pipa med de virkningsgrader av opprensningstrinn som beskrevet er da 5 kg/ time.
B) 10 ganger årlig: Varmstart, regnet som SO2: 1,2 kg/ time (0,33 g/s).
Denne verdi er basert på utslippsgrense definert i utslippstillatelse fra Klif, som viser maks belastning pr. time over 4 timer. Det tillates høyere verdier enn dette over kort tid ved oppstarter.
Tabell 2: Anleggsdata – utslipp pr. kjel (pipe).
Røykgassmengde 4 100 Nm3/h Røykgasstemperatur 50 C Skorsteinsdiameter 500 mm Utslippshastighet 1,45 m/s
Figur 1: Anleggets plassering.
3 Meteorologi
De meteorologiske forholdene er kritiske for spredning av utslipp til luft.
Spredningsforholdene kan klassifiseres i tre klasser; ustabile, nøytrale og stabile/
lett stabile atmosfæriske forhold. Nedenfor er det gitt en kort beskrivelse av stabilitetsklassene.
Ustabile atmosfæriske forhold forekommer oftest om dagen og om sommeren, ved klarvær med sterk solinnstråling og svak til middels vindstyrke. Da varmer solen opp bakken, og det dannes vertikale turbulente luftstrømmer som gir god vertikal spredning av avgassene. For utslipp i bakkenivå vil disse fortynnes raskt, mens det for skorsteinsutslipp kan forekomme høye konsentrasjoner nær utslippet på grunn av kortvarige nedslag av avgass.
Nøytrale atmosfæriske forhold forekommer ved høye til moderate vindstyrker og oftest ved overskyet vær. Høy vindstyrke og god mekanisk blanding gir moderat til god horisontal og vertikal fortynning av avgassene.
Stabile/lett stabile atmosfæriske forhold er typisk for stille klare netter og vintersituasjoner med avkjøling av bakken og det nederste luftlaget. Temperaturen øker med høyden over bakken og dette gir dårlig vertikalspredning i det stabile laget. Når relativt varm luft fra sjø transporteres innover kaldt land, vil det nederste luftlaget stabiliseres. Dette gir dårlig spredning av røykfanen både vertikalt og horisontalt. For bakkeutslipp vil denne situasjonen være kritisk, idet
Unger
den vertikale fortynningen er liten. For skorsteinsutslipp vil liten vertikal spredning føre til at utslippet først når ned til bakken langt fra utslippet.
4 Spredningsberegninger
Det er utført beregninger av maksimale timemiddelkonsentrasjoner ved hjelp av NILUs gaussiske spredningsmodell CONCX, hvor det antas at konsentrasjons- fordelingen i avgassen er normalfordelt horisontalt og vertikalt vinkelrett på vindretningen (Bøhler, 1987). Beregningene er utført for ustabile, nøytrale, lett stabile og stabile atmosfæriske forhold. Det er tatt hensyn til nærliggende eksisterende bygningsmasse og topografiske forhold.
Spredningsberegningene er gjennomført med utslipp gitt pr. tidsenhet, og konsentrasjoner i omgivelsene er gitt i µg/m3. Nærmeste bolig er vel 100 m fra utslippspunktet. Bakgrunnsverdi er antatt å være mindre enn 1 µg SO2 /m3.
Utslippene foregår ved svært lav utslippshastighet (1,45 m/s) og et lite varmeoverskudd på avgassen. Disse forutsetningene gir lite røykløft og dårlig spredning og fortynning av utslippene. De høyeste konsentrasjonsbidragene av SO2 fra anlegget vil være i avstander mindre enn 100 m fra utslippspunktet, og dermed innenfor bedriftens eget område.
4.1 Kaldstart – 1 gang årlig
Maksimale timemidlete konsentrasjonsbidrag på 1300 µg SO2/m3 i bakkenivå vil inntreffe ca. 50 m fra utslippet, ved nøytrale atmosfæriske forhold og svak vind.
Ved nærmeste bolig 100 m fra utslippspunkt vil konsentrasjonen være redusert til 1170 µgSO2/m3. Dette er nesten det tredobbelte av anbefalt retningslinje for helsevirkninger, riktignok som 15 minutters middel. Det er nesten 8 ganger høyere enn anbefalt luftkvalitetskriterium for virkning på vegetasjon (se Figur 2a).
Overskridelse av luftkvalitetskriterium for vegetasjon vil kunne forekomme ut til ca. 2.5 km ved stabil atmosfærisk sjiktning.
4.2 Varmstart – 10 ganger årlig
Maksimale timemidlete konsentrasjoner på 310 µg SO2/m3 i bakkenivå vil inntreffe ca. 50 m fra utslippet, ved nøytrale atmosfæriske forhold og svak vind.
Ved ca. 100 m fra utslippspunkt vil konsentrasjonen være redusert til 280 µg SO2/m3 (se Figur 2b). Det er nesten 2 ganger så høyt som anbefalt retningslinje for virkning på vegetasjon. Overskridelse av luftkvalitetskriterium for vegetasjon vil kunne forekomme ut til ca. 500 ved stabil atmosfærisk sjiktning.
4.3 Anbefalte utslippsforhold
Dersom man utfører enkle tiltak, kan bidraget til bakkekonsentrasjon reduseres betydelig. En forlengelse av pipehøyde med 5 m og innsnevring av pipediameter fra 0,5 til 0,25 m, vil øke avgasshastigheten til 5,8 m/s og gi bedre røykløft og spredning av utslippene.
Et slikt tiltak vil gi maksimalbidrag i bakkenivå på 110 µg SO2/m3 i avstand ca. 50 m fra utslipp ved varmstart. På ca. 100 meters avstand vil bakkekonsentrasjonen være redusert til 100 µg SO2/m3 (Figur 2c).
Med disse tiltakene vil bidraget til bakkekonsentrasjoner ved ”kaldstart” også bli betydelig lavere. Maksimalbidraget ca. 50 m fra utslippet vil bli redusert fra 1300 til 470 µg SO2/m3. I avstand 100 m fra utslippet vil maksimalt bidrag i bakkenivå være redusert fra 1170 til 430 µg SO2/m3 (Figur 2d). . Overskridelse av luftkvalitetskriterium for vegetasjon vil kunne forekomme ut til ca. 500 ved stabil atmosfærisk sjiktning.
Da stabile atmosfæriske forhold forekommer ca. 20 – 30 % av året vil samtidig forekomst av kaldstart og uheldige værforhold forekomme ca. en time hvert 4-5 år.
Figur 2a: Kaldstart, vindstyrke 2 m/s.
En skorstein (skorsteinshøyde 26 m).
SO2-bidrag som funksjon av avstand fra kilde.
Røykgassmenge 4100 Nm3/h, pipediameter 0,50 m og avgasshastighet 1,45 m/s. 1,38 g SO2/s
Figur 2b: Varmstart, vindstyrke 2 m/s. En skorstein (skorsteinshøyde 26 m).
SO2-bidrag som funksjon av avstand fra kilde.
Røykgassmenge 4100 Nm3/h, pipediameter 0,50 m og avgasshastighet 1,45 m/s. 0,33 g SO2/s
Figur 2c: Kaldstart med forlenget pipe (skorsteinshøyde 31 m). Vindstyrke 2 m/s.
SO2 –bidrag som funksjon av avstand fra kilde.
Røykgassmengde 4 100 Nm3/h, pipediameter 0,25 m og avgasshastighet 5,8 m/s. 1,38 g SO2/s.
Figur 2d: Varmstart med forlenget pipe (skorsteinshøyde 31 m). Vindstyrke 2 m/s.
SO2 –bidrag som funksjon av avstand fra kilde.
Røykgassmengde 4 100 Nm3/h, pipediameter 0,25 m og avgasshastighet 5,8 m/s. 0,33 g SO2/s.
5 Konklusjon
Basert på oppdragsgivers opplysninger om anleggets utforming og utslipp, er det foretatt spredningsberegninger av utslipp av SO2 til luft. Utslippsforholdene for lav pipe med lav avgasshastighet og lite varmeoverskudd i avgassen gir dårlig røykløft og dårlige spredningsforhold.
Beregninger av utslippet bidrag til bakkekonsentrasjon av SO2 ved kaldstart av anlegget (1 gang årlig) viser betydelig overskridelse av anbefalt luftkvalitetskriterium for både helse (400 µg SO2/m3) og vegetasjon (150 µg SO2/m3).
Beregninger av utslippet bidrag til bakkekonsentrasjon av SO2 ved varmstart av anlegget (10 ganger årlig) viser moderat overskridelse av luftkvalitetskriterium for vegetasjon.
Bedriften bør forlenge skorsteinen med minimum 5 m og innsnevre pipediameter i utløp fra 0,5 m til 0,25 m. Dette vil medføre betydelig bedre spredningsforhold og mye lavere bakkekonsentrasjon av SO2. De nevnte utbedringer vil redusere maksimalbidragene slik: Kaldstartbidrag ved bebyggelse på 100 m avstand reduseres fra 1170 til 430 µg SO2/m3. Varmstartbidrag på 100 m avstand reduseres fra 200 til 100 µg SO2/m3. En forlengelse og innsnevring av skorsteinen vil maksimalt kunne føre til én overskridelse av luftkvalitetskriteriet for virkning på helse i året.
6
Referanser
Bøhler, T. (1987) Users guide for the Gaussian type dispersion models CONCX and CONDEP. Lillestrøm (NILU TR 8/87).
SFT (1992) Virkninger av luftforurensninger på helse og miljø. Anbefalte luftkvalitetskriterier. Oslo (SFT-rapport nr 92:16).
Vedlegg A
Utslipp av SO
2/SO
3fra S-anlegg
Utslipp av SO2/SO3 fra S-anlegg.
Prosessforklaring.
Gassulfoneringsprosessen opererer kjemisk i et molart forhold mellom SO3 og reaktant, nær 1,0. For å oppnå en fullstendig sulfonering er det likevel nødvendig å opprettholde et svakt SO3 overskudd. Molart SO3 overskudd i størrelsesorden 0,01 – 0,03. Under den kjemiske reaksjonen dannes det en mindre mengde aerosoler avhengig av råstoffets renhet og som følger restgassen fra reaktoren som tåkedråper.
For å redusere utslipp til luft behandles restgassen umiddelbart i en rensesyklon for å gjenvinne organisk materiale i gass, et elektrofiltertrinn for å fange opp restaerosoler og væskepartikler og deretter en gassrensingsenhet (natronlut vasker) for å fjerne resterende SO2/SO3 overskudd.
For årlig mengde gassutslipp refereres det til utslippstall i årsrapportene til SFT.
Ved oppstart av gassulfoneringsprosessen opereres prosessavsnittet for gasskonvertering under andre betingelser enn ved kontinuerlig produksjon. Gassulfonering av tensider forbruker SO3 som dannes ved at svovel og luft forbrennes i en forbrenningsovn og danner SO2. Denne SO2 gassen må konverteres til SO3. Konverteringen skjer ved en katalytisk reaksjon med Vanadiumpentoksyd i 5 konverteringstrinn og sikrer en konverteringsgrad større enn 99 %.
Konverteringen er imidlertid ikke momentan og trenger en SO2 gass temperatur på 400- 450 ºC for å starte. Dette betyr at prosessavsnittet ved oppstart produserer SO2 inntil riktig konverteringstemperaturer er oppnådd. Tidsvarigheten av slike oppstartsperioder er avhengig av ovnens og konverteringsmassens oppstartstemperatur.
For å begrense SO2 utslipp til luft er anlegget satt opp med et eget rensetrinn for SO2. Prinsippet bygger på at SO2 gassen ledes motstrøms i et svovelsyre absorbsjonstårn hvor SO2 gassen absorberes i svovelsyren og videre gjennom gassrensingsenhet til atmosfære.
Feil eller svikt i rensetrinnet vil medføre økt utslipp til luft.
Overskudd svovelsyre blir tappet og solgt som råvare for annen industri.
Dimensjoner.
Scrubber: Vannflow er 4000 liter/time. Dette kjøler gassen slik at denne har temperatur på under 50 °C ut av pipa.
Pipe: Utløp 20 m over bakkenivå. 6 m over tak i S-anlegg, som er 14 m høyt. Glassfiber.
Flow: 4000 - 5000 kubikk/time. Indre diameter temmelig nøyaktig 50 cm.
Analyser:
Ved målingene samles det opp prøver i 1 time manuelt.
Her vises mg/kubikk og antall kilo pr time.
Det er alltid målingen første time, når anlegget ikke har stabilisert seg som viser stort tall.
Derfor er det denne punktbelastning som er merkbar, og ikke langtidspåvirkning.
Norsk institutt for luftforskning Postboks 100, 2027 Kjeller Deltaker i CIENS og Miljøalliansen ISO-sertifisert etter NS-EN ISO 9001
RAPPORTTYPE OPPDRAGSRAPPORT
RAPPORT NR. OR 59/2010 ISBN: 978-82-425-2281-8 (trykt)
ISSN: 0807-7207 DAT0
18/10-2010
SIGN. ANT. SIDER
11
PRIS
NOK 150.-
TITTEL
Spredningsberegninger for utslipp til luft fra Unger Fabrikker AS i Fredrikstad
PROSJEKTLEDER
Ivar Haugsbakk
NILU PROSJEKT NR.
O-110104 FORFATTER(E)
Ivar Haugsbakk
TILGJENGELIGHET * B OPPDRAGSGIVERS REF.
Trygve Tveterås OPPDRAGSGIVER
Unger Fabrikker AS Postboks 254 1601 FREDRIKSTAD
REFERAT
Det er utført sprednings- og skorsteinshøydeberegninger for utslipp fra sulfoneringsanlegg i Fredrikstad. Maksimale bakkekonsentrasjoner vil ligge over anbefalt retningslinje ved oppgitte anleggsdata.
TITLE
Dispersion calculations of SO2 emission and stack height calculations from a sulphur reduction facility at Fredrikstad STIKKORD
Utslipp Spredningsberegninger Svoveldioksid
ABSTRACT (in engelsk)
Dispersion calculations and stack height calculations have been carried out for emissions from a sulphur reduction facility at Fredrikstad. Contribution to SO2-concentrations from the facility will not be acceptable with input data used.
* Kategorier A
B C
Åpen – kan bestilles fra NILU Begrenset distribusjon Kan ikke utleveres
DATO: OKTOBER 2010
ISBN: 978-82-425-2281-8 (trykt)
NILU er en uavhengig stiftelse etablert i 1969. NILUs forskning har som formål å øke forståelsen for prosesser og effekter knyttet til klimaendringer, atmosfærens sammensetning, luftkvalitet og miljø- gifter. På bakgrunn av forskningen leverer NILU integrerte tjenester og produkter innenfor analyse, overvåkning og rådgivning. NILU er opptatt av å opplyse og gi råd til samfunnet om klimaendringer og forurensning og konsekvensene av dette.
REFERANSE: O-110104
DATO: OKTOBER 2010
ISBN: 978-82-425-2281-8 (trykt)
NILU er en uavhengig stiftelse etablert i 1969. NILUs forskning har som formål å øke forståelsen for prosesser og effekter knyttet til klimaendringer, atmosfærens sammensetning, luftkvalitet og miljø- gifter. På bakgrunn av forskningen leverer NILU integrerte tjenester og produkter innenfor analyse, overvåkning og rådgivning. NILU er opptatt av å opplyse og gi råd til samfunnet om klimaendringer og forurensning og konsekvensene av dette.
